,2,2,*
(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院,北京 100083; 2.農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)(食用)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100083; 3.農(nóng)業(yè)部農(nóng)產(chǎn)品貯藏保鮮質(zhì)量安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估實(shí)驗(yàn)室(北京),北京 100083)
鷹嘴豆(CicerarietinumLinn)是豆科一年生草本植物。別名雞頭豆。鷹嘴豆種子長5~9 mm,直徑4~7 mm。氣無,味淡,質(zhì)地堅(jiān)硬,表面呈現(xiàn)淡白色或微紅色。種臍附近有喙?fàn)钔黄?形似鷹頭。其栽培歷史悠久,可追溯至9500年前的亞洲西部和地中海沿岸。目前主要分布在較為溫暖干旱的地區(qū),是世界第二大消費(fèi)豆類,也是栽培面積較廣的食用豆類作物之一[1]。
鷹嘴豆富含多種植物蛋白、碳水化合物、粗纖維、異黃酮及鈣、鎂、鐵等成分,其蛋白質(zhì)功效比、氨基酸的含量以及消化率等均優(yōu)于其他豆類[2]。鷹嘴豆具有非常高的食用價(jià)值,目前,國內(nèi)外的學(xué)者研究發(fā)現(xiàn),食用鷹嘴豆及其相關(guān)產(chǎn)品可以降低血清血脂水平,同時(shí)減少膽固醇的累積,對(duì)于心腦血管疾病等具有明顯的預(yù)防作用[3-5]。鷹嘴豆具有低淀粉、較高粗纖維含量的特征,因此是糖尿病患者的理想食品。其蛋白質(zhì)降解產(chǎn)物具有顯著的抗氧化作用,對(duì)治療便秘和預(yù)防直腸癌具有積極作用[6-8]。也有大量研究證明鷹嘴豆在降血脂、降血糖等方面具有明顯的效果[9-11]。例如傅櫻花等考察了鷹嘴豆酸奶(CY)和鷹嘴豆粗黃酮(CCFE)對(duì)鏈脲佐菌素(STZ)誘導(dǎo)的糖尿病小鼠降血糖活性,其結(jié)果表明鷹嘴豆酸奶(CY)可能與增強(qiáng)肝糖原合成能力有關(guān),從而降低糖尿病小鼠模型的血糖[12];張澤生等研究了鷹嘴豆中D-松醇對(duì)STZ誘導(dǎo)的II型糖尿病小鼠的降血糖功效,其結(jié)果表明鷹嘴豆中D-松醇可有效改善患病小鼠糖耐量,降低患病小鼠的空腹血糖,同時(shí)具有一定修復(fù)肝損傷的功效[13]。姚余祥等人以鷹嘴豆為原材料,制備了降膽固醇活性肽,其在動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中證明具有一定效果[14]。
隨著生命科學(xué)、食品工程及油脂科學(xué)與工程技術(shù)的高速發(fā)展,甾醇類物質(zhì)在食品、化工、飼料和醫(yī)藥等多個(gè)領(lǐng)域得到了人們廣泛的關(guān)注和重視?,F(xiàn)已有許多研究證實(shí)從一些物質(zhì)中提取出的植物甾醇具有良好的抑菌效果[15],但國內(nèi)外對(duì)鷹嘴豆中植物甾醇作用的研究尚未見報(bào)道。因此,本文擬將超聲波提取法和柱吸附法相結(jié)合,優(yōu)化鷹嘴豆中植物甾醇的提取,純化提取產(chǎn)物,并進(jìn)一步鷹嘴豆中植物甾醇對(duì)常見菌種的抑制作用及程度,旨在為鷹嘴豆中甾醇的綜合利用以及研發(fā)一些新型食品添加劑提供理論依據(jù)。
鷹嘴豆 當(dāng)?shù)厥袌?大腸桿菌、枯草芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌、沙門氏菌 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與營養(yǎng)工程學(xué)院轉(zhuǎn)基因生物安全評(píng)價(jià)(食用)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室;甾醇標(biāo)準(zhǔn)品(膽固醇、膽甾烷醇、菜油甾醇、菜籽甾醇、豆甾醇、β-谷甾醇)、青-鏈霉素混合液N-甲基-N-三甲基硅烷基七氟丁酰胺、1-甲基咪唑 美國Sigma公司;柱層析硅膠、六水合三氯化鐵、氫氧化鉀、乙酸乙酯、無水乙醇、石油醚、無水乙醚、磷酸 均為分析純,西亞試劑。
JY98-IIIN超聲波細(xì)胞粉碎機(jī) 寧波新芝生物科技股份有限公司;101-0ES型電熱鼓風(fēng)干燥箱 上??坪銓?shí)業(yè)發(fā)展有限公司;LGJ-25C型冷凍干燥機(jī) 北京四環(huán)科學(xué)儀器廠有限公司;FW100型高速萬能粉碎機(jī) 天津泰斯特儀器有限公司;TGL-16M臺(tái)式高速冷凍離心機(jī) 美國Beckman Coulter公司;Varioskan Flash全波長酶標(biāo)儀 美國賽默飛世爾科技公司;GC6890-MS5973氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用儀 美國安捷倫科技有限公司。
1.2.1 樣品前處理 將鷹嘴豆清洗、烘干后,使用粉碎機(jī)粉碎,過40目篩并收集篩下豆粉,用于后續(xù)實(shí)驗(yàn)。
1.2.2 超聲波輔助提取單因素實(shí)驗(yàn) 選擇乙酸乙酯為提取溶劑,使用超聲波細(xì)胞破碎儀進(jìn)行植物甾醇的提取,稱取5.0 g鷹嘴豆粉。固定液料比10∶1 mL/g,提取時(shí)間7 min,選取超聲功率分別為250、300、350、400、450 W進(jìn)行試驗(yàn),考察超聲功率對(duì)植物甾醇提取率的影響。在液料比為10∶1 mL/g,超聲功率300 W的條件下,選取提取時(shí)間分別為3、5、7、9、11 min進(jìn)行試驗(yàn),考察提取時(shí)間對(duì)植物甾醇提取率的影響。在超聲功率300 W,提取時(shí)間為7 min的條件下,選取液料比分別為5∶1、8∶1、10∶1、12∶1、15∶1 mL/g進(jìn)行試驗(yàn),考察液料比對(duì)植物甾醇提取率的影響。
1.2.3 響應(yīng)面優(yōu)化試驗(yàn) 在單因素實(shí)驗(yàn)條件初步確定的基礎(chǔ)上,以超聲功率、提取時(shí)間、液料比為自變量,以鷹嘴豆中植物甾醇的提取率為評(píng)定響應(yīng)值,進(jìn)行三因素三水平的響應(yīng)面分析試驗(yàn)。試驗(yàn)水平與因素設(shè)定見表1。
表1 因素水平表Table 1 Factors and levels table
用二階多項(xiàng)模型對(duì)獨(dú)立變量與響應(yīng)值之間的相互關(guān)系進(jìn)行擬合,進(jìn)一步預(yù)測最佳制備條件。
式中,Y為預(yù)測值,即粗提物中植物甾醇提取率的預(yù)測值。A0為回歸系數(shù),Ai與Aii分別是對(duì)Xi的一次和二次效應(yīng),Aij表示Xi與Xj之間的線性交互效應(yīng)。
1.2.4 植物甾醇提取率的測定 使用比色法檢測粗提物中植物甾醇的含量[16-17]。
1.2.4.1 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作 使用少量無水乙醇將100 mgβ-谷甾醇標(biāo)準(zhǔn)品溶解,并轉(zhuǎn)入100 mL容量瓶中定容。使用前稀釋10倍,即母液質(zhì)量濃度為0.1 mg/mL。分別取0.0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0 mL的0.1 mg/mLβ-谷甾醇溶液于試管中,繼續(xù)添加無水乙醇至4.0 mL,加入2.0 mL硫磷鐵顯色劑,振蕩搖勻,15 min后在波長538 nm處測定其吸光度值。以β-谷甾醇溶液質(zhì)量濃度(單位為mg/mL)為橫坐標(biāo),以吸光度值(A)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線。
1.2.4.2 提取率的計(jì)算 記鷹嘴豆粉干重為m1(單位為g),超聲波輔助提取得到的粗提物總質(zhì)量為m2(單位為mg),稱取質(zhì)量為m3(單位為mg)粗提物溶于4.0 mL無水乙醇,并加入2.0 mL硫磷鐵顯色劑,總體積為6 mL。室溫下振蕩搖勻,經(jīng)15 min冷卻后在波長538 nm處檢測其吸光度值,代入標(biāo)準(zhǔn)曲線中,算得粗提物中植物甾醇質(zhì)量濃度值c1,按下述公式計(jì)算植物甾醇提取率C(單位為mg/100 g·dw)。
1.2.5 植物甾醇的分離純化 將1.2.3的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件后提取得到的粗提物分離純化。預(yù)先使用無水乙醇配制成濃度0.1 mg/mL的醇溶液。采用硅膠柱層析法進(jìn)行分離純化,具體步驟為:取約8.0 g的層析硅膠,110 ℃下活化10 min后濕法裝柱。加入樣品后,靜置1 h使固定相充分吸附甾醇樣品,使用體積比為10∶1的石油醚-無水乙醚流動(dòng)相體系進(jìn)行洗脫,控制流速在1 mL/min左右,收集洗脫產(chǎn)物[18]。旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)揮干有機(jī)溶劑后,使用硫磷鐵法檢測植物甾醇得率。
1.2.6 植物甾醇的種類鑒定 使用氣相色譜質(zhì)譜聯(lián)用法(GC-MS)對(duì)分離純化后的樣品進(jìn)行種類鑒定,以明確主要甾醇的種類及其所占比例。取1 mL純化后的樣品,加入20 μg膽甾烷醇作為內(nèi)標(biāo),加入2 mol/L氫氧化鉀-乙醇溶液2 mL,渦旋振蕩1 min混勻。70 ℃水浴振搖45 min,室溫冷卻。加入二氯甲烷5 mL,超純水3 mL,混合均勻,8000 r/min離心5 min棄上清,再用5 mL超純水洗三次,棄上清,氮?dú)獯蹈捎袡C(jī)相,4 ℃貯存?zhèn)溆谩?/p>
稱取各甾醇標(biāo)準(zhǔn)品5 mg(β-谷甾醇10 mg),分別用丙酮配制濃度梯度為0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mg/mL的甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液,氮吹吹干后,甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液與提取的甾醇樣品中均加入100 μL衍生劑(N-甲基-N-三甲基硅烷基七氟丁酰胺∶1-甲基咪唑=95∶5,v/v)于75 ℃衍生20 min,使用正己烷定容至1 mL,用于GC-MS檢測。
色譜條件:使用J&W DB-5MS石英毛細(xì)管柱(30 m×0.25 mm,0.25 μm),升溫程序:100 ℃保持1 min,以10 ℃/min升至280 ℃,保持10 min;載氣(He)流速1.0 mL/min,壓力2.4 kPa,進(jìn)樣1.0 μL,不分流。
質(zhì)譜條件:電子轟擊(EI)離子源;電子能量70 eV;傳輸線溫度290 ℃;離子源溫度250 ℃;質(zhì)量掃描范圍m/z 35~500;監(jiān)測方式SIM模式。
以甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)溶液濃度為橫坐標(biāo),以各甾醇峰面積(經(jīng)內(nèi)標(biāo)校正)為縱坐標(biāo),繪制標(biāo)準(zhǔn)工作曲線,用標(biāo)準(zhǔn)工作曲線對(duì)試樣進(jìn)行定量,得到其檢測濃度。
1.2.7 植物甾醇的抑菌活性的測定 采用抑菌圈法測定分離純化后植物甾醇的抑菌活性[19-20]。將大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、枯草芽孢桿菌以劃線法分別接種于LB培養(yǎng)基中,并置于37 ℃培養(yǎng)箱中培養(yǎng)18~24 h。分別挑取單菌落,接種于LB液體培養(yǎng)基中,37 ℃搖床中(200 r/min)培養(yǎng)至菌數(shù)達(dá)對(duì)數(shù)生長期。取四種菌液體培養(yǎng)基1 mL于9 mL生理鹽水中,制成菌懸液,置于4 ℃冰箱中保存。
以青-鏈霉素混合液(1 mg/mL)作為陽性對(duì)照,以丙酮配制成的甾醇樣品(1、2 mg/mL)與甾醇標(biāo)準(zhǔn)品(β-谷甾醇,1 mg/mL)為處理組,以丙酮作為陰性對(duì)照。在無菌條件下取100 μL菌懸液均勻涂布于LB培養(yǎng)基平板。用無菌鑷子夾取滅菌的牛津杯于培養(yǎng)基上,分別取100 μL丙酮溶液、青-鏈霉素混合液、甾醇樣品與甾醇標(biāo)準(zhǔn)品于牛津杯中,37 ℃培養(yǎng)24 h。用無菌鑷子去除牛津杯,游標(biāo)卡尺測量三次抑菌圈直徑,記錄數(shù)據(jù)。
使用Design-Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析,擬合得到二元方程并繪制三維響應(yīng)曲面。使用SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)的顯著性分析,采用單因素方差分析評(píng)價(jià)統(tǒng)計(jì)參數(shù),使用Duncan法進(jìn)行多重比較。
2.1.1 標(biāo)曲的建立β-谷甾醇溶液質(zhì)量濃度(單位為mg/mL)與吸光度值的標(biāo)準(zhǔn)曲線如圖1所示,標(biāo)曲方程為Y(Abs)=10.103X+0.0432,決定系數(shù)R2=0.9871。
圖1 植物甾醇濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線Fig.1 Standard curve of concentration of phytosterol
2.1.2 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果
2.1.2.1 超聲功率對(duì)植物甾醇提取率的影響 由圖2可知,當(dāng)超聲功率為250~400 W時(shí),植物甾醇提取率變化不顯著,而當(dāng)功率繼續(xù)升高至450 W時(shí),甾醇提取率隨功率的增大而顯著增大(P<0.05),這說明超聲功率對(duì)甾醇含量影響較大。考慮到變幅桿所能承受的最大功率為450 W,選擇350、400、450 W三個(gè)水平用于后續(xù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)。
圖2 超聲功率對(duì)甾醇提取的影響Fig.2 Effect of ultrasonic power on extraction yield of phytosterols
2.1.2.2 提取時(shí)間對(duì)植物甾醇提取率的影響 由圖3可知,當(dāng)提取時(shí)間為3~11 min時(shí),植物甾醇提取率呈現(xiàn)出先增大再減小的變化趨勢,在9 min時(shí)達(dá)最大,顯著高于其它組(P<0.05)。因此選擇7、9、11 min三個(gè)水平用于后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。
圖3 提取時(shí)間對(duì)甾醇提取的影響Fig.3 Effect of time on extraction yield of phytosterols
2.1.2.3 液料比對(duì)植物甾醇提取的影響 由圖4可知,液料比為8∶1 mL/g時(shí)提取率顯著高于5∶1 mL/g(P<0.05),但與10∶1、12∶1 mL/g之間無顯著差異,整體上呈現(xiàn)出先增大再減小的變化趨勢。因此選擇5∶1、8∶1、10∶1 mL/g三個(gè)水平用于后續(xù)優(yōu)化試驗(yàn)。
圖4 液料比對(duì)甾醇提取的影響Fig.4 Effect of ratios of liquid to material on extraction yield of phytosterols
2.2.1 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。
表2 響應(yīng)面法設(shè)計(jì)及試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Response surface methodology design with their observed responses
使用Design-Expert 8.0.6對(duì)表2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析,以總甾醇含量為響應(yīng)結(jié)果,對(duì)超聲功率(W)、提取時(shí)間(min)、液料比(mL/g)建立二元多項(xiàng)回歸模型并對(duì)其所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,得到的回歸分析結(jié)果見表3,相應(yīng)回歸方程為:
由表3可知,三因素中超聲功率與液料比均對(duì)提取率具極顯著影響(P<0.01),提取時(shí)間對(duì)甾醇得率無顯著影響(P>0.05);超聲功率的二次項(xiàng)(A2)對(duì)提取率有顯著影響(P<0.05);植物甾醇的提取率隨超聲功率與液料比的增加均呈現(xiàn)出持續(xù)增大的變化趨勢。由F值可知,影響超聲波—乙酸乙酯提取鷹嘴豆植物甾醇的因素主次順序?yàn)?超聲功率>液料比>提取時(shí)間。
植物甾醇提取率的三維響應(yīng)曲面如圖5所示。三維響應(yīng)圖中等高線的形狀可以表明超聲功率、提取時(shí)間和液料比之間的交互效應(yīng)對(duì)響應(yīng)值的影響,橢圓形表示兩因素交互作用顯著。由此可知,以上三種因素的兩兩交互作用對(duì)響應(yīng)值無顯著性影響。
根據(jù)所建立的數(shù)學(xué)模型,可得出優(yōu)化后的最佳提取條件:超聲功率450 W,提取時(shí)間7 min,液料比10∶1 mL/g,此時(shí),預(yù)測植物甾醇提取率為66.58 mg/100 g·dw,經(jīng)驗(yàn)證,在上述條件下,使用乙酸乙酯的實(shí)際提取率為(57.99±3.37) mg/100 g·dw。
豆類中植物甾醇的含量較高,僅次于谷類;經(jīng)響應(yīng)面法優(yōu)化后的提取方法成本低,時(shí)間短,且試劑可回收利用;鷹嘴豆中植物甾醇的提取率于黃豆(111.08 mg/100 g·dw)與黑豆(83.84 mg/100 g·dw),與綠豆接近(64.07 mg/100 g·dw),高于花豇豆(35.61 mg/100 g·dw)、蕓豆(33.01 mg/100 g·dw)等[21]。
表3 優(yōu)化實(shí)驗(yàn)回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance(ANOVA)for the fitted quadratic polynomial model for optimization of extraction parameters
表4 植物甾醇混合標(biāo)準(zhǔn)品分析定量參數(shù)Table 4 Quantitative parameters of mixed standards
注:y=離子豐度/105。
圖5 各因素交互作用對(duì)植物甾醇提取率的影響Fig.5 Effect of interaction of various factors on the yield of phytosterols注:a.超聲功率與提取時(shí)間交互作用,液料比為8∶1 mL/g;b.超聲功率與液料比交互作用, 提取時(shí)間9 min;c.提取時(shí)間與液料比交互作用,超聲功率400 W。
采用體積比為10∶1的石油醚-無水乙醚流動(dòng)相體系進(jìn)行洗脫,經(jīng)檢測,純化后產(chǎn)物的回收率為53.44%?;厥章势?可能由以下因素造成:硅膠用量偏少;樣品濃度偏大;洗脫劑的種類與比例需進(jìn)一步調(diào)整。本次實(shí)驗(yàn)的主要目的為驗(yàn)證甾醇提取物的抑菌活性,因此,可在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中使用柱層析法進(jìn)一步優(yōu)化植物甾醇的分離與純化。
按色譜條件進(jìn)行分析,混合標(biāo)準(zhǔn)品中各植物甾醇化合物在上述條件下能達(dá)到很好的分離效果,濃度范圍內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)曲線的相關(guān)系數(shù)均大于0.998,標(biāo)準(zhǔn)品的分析定量參數(shù)如表4所示。
以標(biāo)準(zhǔn)品保留時(shí)間與GC-MS中的離子碎片對(duì)鷹嘴豆中的主要甾醇進(jìn)行定性、定量分析,標(biāo)準(zhǔn)品與純化后樣品的總離子流色譜圖結(jié)果如圖6所示。可以看出純化后的樣品中主要含有菜油甾醇、豆甾醇與β-谷甾醇,甾醇的定量分析結(jié)果如表5所示,β-谷甾醇含量最高,相對(duì)含量達(dá)到80.43%,菜油甾醇和豆甾醇的相對(duì)含量分別為12.48%和7.09%。純化后樣品中的甾醇種類與相對(duì)含量與常見豆類比較接近[17]。
表5 純化后樣品中甾醇的相對(duì)含量Table 5 Relative amount of phytosterols after purification
表6 鷹嘴豆中植物甾醇提取物的抑菌圈直徑(mm)Table 6 Diameter of zones of inhibition recorded for different microorganisms treated with phytosterols isolated from extract(mm)
注:“-”代表革蘭氏陰性菌,“+”代表革蘭氏陽性菌;“/”代表無抑菌效果;數(shù)字為三次平行試驗(yàn)平均值。
圖6 植物甾醇總離子流色譜圖Fig.6 Total ion current chromatogram of phytosterol注:a.標(biāo)準(zhǔn)品;b.純化后樣品。
由表6中可知,丙酮作為陰性對(duì)照,不具有抑菌活性;青-鏈霉素混合液對(duì)四種菌的抑制效果最好;甾醇標(biāo)準(zhǔn)品具有抑菌作用,其效果優(yōu)于鷹嘴豆中的植物甾醇提取物;甾醇提取物對(duì)四種菌都具有一定地抑菌效果,其對(duì)于枯草芽孢桿菌的抑菌能力最強(qiáng),鷹嘴豆中植物甾醇提取物的濃度與抑菌效果之間可能具有量效關(guān)系,抑菌效果隨著甾醇濃度的增加而增強(qiáng)。同時(shí)甾醇標(biāo)準(zhǔn)品和甾醇提取物的抑菌效果均為枯草芽孢桿菌>金黃色葡萄球菌>沙門氏菌>大腸桿菌。
對(duì)于上述試驗(yàn)中使用的革蘭氏陰性菌,甾醇標(biāo)準(zhǔn)品和甾醇提取物對(duì)其抑菌效果相似,但2 mg/mL甾醇提取物對(duì)于沙門氏菌的抑菌效果比大腸桿菌好。對(duì)于革蘭氏陽性菌,兩者抑制枯草芽孢桿菌效果均強(qiáng)于金黃色葡萄球菌。
本次研究的方差分析結(jié)果顯示:超聲功率450 W,提取時(shí)間7 min,液料比10∶1 mL/g時(shí),鷹嘴豆中植物甾醇具有最大提取率,為(57.99±3.37) mg/100 g·dw。柱層析分離純化植物甾醇的回收率偏低,僅為53.44%。使用GC-MS分析分離純化后的總甾醇,結(jié)果發(fā)現(xiàn),鷹嘴豆中甾醇以β-谷甾醇、菜油甾醇與豆甾醇為主,三者比例分別為80.43%、12.48%與7.09%,檢測未發(fā)現(xiàn)菜籽甾醇。
本次研究發(fā)現(xiàn),鷹嘴豆植物甾醇提取物對(duì)于大腸桿菌、沙門氏菌、金黃色葡萄球菌與枯草芽孢桿菌均有抑制效果。因此,選取鷹嘴豆進(jìn)行植物甾醇的優(yōu)化提取是具有一定意義的。本文運(yùn)用響應(yīng)面法提取鷹嘴豆中植物甾醇得率較高,且成本低,時(shí)間短,可為進(jìn)一步開發(fā)利用鷹嘴豆中植物甾醇提供一定參考。